纽扣式直接甲醇燃料电池的制作方法

本发明属于液体燃料电池领域，具体涉及的是一种纽扣式直接甲醇燃料电池。

背景技术：

随着微电子技术的不断革新发展，普通纽扣电池的逐渐跟不上电子产品的更新换代，同时废弃的传统纽扣电池如果处理不好会对环境造成严重的污染。而直接甲醇燃料电池中的甲醇燃料与空气中的氧的反应不是燃烧反应，而是以电化学反应的方式将甲醇燃料中储存的化学能直接转换成输送到外电路的电能。直接甲醇燃料电池的反应产物是水与二氧化碳，对环境不会产生污染。所以直接甲醇燃料电池具有无污染、转换效率高、启动快、电池寿命长、比功率及比能量高等优点。世界各国如日本、德国、美国都在深入的研究燃料电池。目前国内外所用的直接甲醇燃料电池几乎都用螺栓封装，封装过程繁琐，封装压力不易控制，而且应用螺栓后增大了燃料电池的体积，降低了活性面积比例和电池的体积比功率密度。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有液体燃料电池螺栓封装的缺陷，提供一种纽扣式直接甲醇燃料电池。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：

一种纽扣式直接甲醇燃料电池，包括自上而下放置且均为圆形结构的阳极单元、质子交换膜以及阴极单元；所述的阳极单元包括自上而下放置的电池上盖、燃料腔、阳极金属集流层、阳极扩散层以及阳极催化层；所述的燃料腔内放置有弹性导电元件。

所述的弹性导电元件可以为1个或者多个。

所述的阳、阴极催化层与所述的电池横截总面积的比例大于65％。

所述的阴极单元包括自下而上放置的电池下壳、阴极金属集流层、阴极扩散层以及阴极催化层。

所述的阳极金属集流层、阳极扩散层以及阴极扩散层的环周均放置有密封垫圈。

所述的电池上盖与所述的阳极金属集流层之间有高分子绝缘层。

所述的电池上盖上设置有燃料进出口，所述的燃料进出口上放置有气液分离膜。

所述的阴极扩散层以及阳极扩散层的材质可以为碳纸、碳布或者泡沫金属。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明中的结构均为圆形，便于对齐组装以及封装。而传统结构中大都为方形并且外围设有螺栓孔，在组装电池时部件的放置对齐多有不便。

本发明在阳极的燃料腔内设置的弹性导电元件，所述的弹性导电元件具有良好的耐腐蚀性、导电性能和保持压力的能力，从而减小电池内各部件界面间的的接触电阻。因此在本发明的优选方案中选用了不锈钢材质的弹性导电元件。在冲压封装时，电池上盖会产生一定的变形，在封装结束后，电池上盖会恢复部分变形，如果该弹性导电元件弹性不足，则可能会造成形变过程中电池内各部件界面间尤其是阳极金属集流层和电池上盖不能紧密接触而产生非常大的接触电阻。

此外，传统封装结构中采用螺栓预紧时，为了保证电池内压力均匀，电池上盖，集流层以及燃料腔都会采用较厚的结构，这将导致传统螺栓封装电池的厚度和横截面积增加，体积也会随之增大。本发明采用纽扣式结构，利用电池下壳与电池上盖挤压高分子绝缘层变形进行封装。纽扣式直接甲醇燃料电池中有效活性面积比例远远高于传统螺栓封装电池，从而大大增加了电池的体积比功率密度。而且冲压封装时，电池的受力均匀，封装简单快捷。

同时，作为优选的，阳极金属集流层面积形状与阳极扩散层相同，也用密封垫圈封住，既没有减少阳极扩散层与阳极金属集流层接触面积，也不会产生短路现象。

总之，本发明提供一种无污染、结构简单、成本低、组装使用简单、体积比功率密度高的纽扣式直接甲醇燃料电池。

附图说明

图1是本发明纽扣式直接甲醇燃料电池的剖视图；

图2是本发明纽扣式直接甲醇燃料电池的轴测剖视图；

图3、4是本发明纽扣式直接甲醇燃料电池的爆炸示意图；

图5示出本发明纽扣式直接甲醇燃料电池的部件尺寸与催化层尺寸和传统螺栓甲醇燃料电池的部件尺寸与催化层尺寸对比图；

图6示出本发明中纽扣式直接甲醇燃料电池的电压-电流曲线以及功率-电流曲线。

其中：1-电池上盖，2-高分子绝缘层，3-弹性导电元件，4-阳极金属集流层，5-密封垫圈，6-阳极扩散层，7-阴极扩散层，8-阴极金属集流层，9-电池下壳，10-阴极催化层，11-质子交换膜，12-阳极催化层，13-燃料出气口，14-生成的小气泡，15-甲醇燃料溶液，16-燃料腔，17-气液分离膜。

具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1-4示出一种纽扣式直接甲醇燃料电池，其特征在于，包括自上而下设置的阳极单元、质子交换膜11以及阴极单元；所述的阳极单元包括自上而下设置的电池上盖1、燃料腔16、阳极金属集流层4、阳极扩散层6以及阳极催化层12；所述的燃料腔内设置有弹性导电元件3。所述的电池上盖1与所述的阳极金属集流层4之间设有高分子绝缘层2。所述的弹性导电元件可以为1个或者多个。优选的，可以为两个。图1示出电池下壳的直径尺寸为19.8mm，电池的整体厚度为3.9mm，燃料腔的直径尺寸为16.5mm，阴极催化层、阳极催化层、阴极扩散层、阳极扩散层及阳极集流层的直径尺寸为16mm。由于并联电路可以减小电阻，同时考虑到电池本身的厚度，在本实施例中优选两个0.5×4×5mm(丝径×外径×原始高度)弹簧导电元件。

所述的阴极单元包括自下而上设置的电池下壳9、阴极金属集流层8、阴极扩散层7以及阴极催化层9。所述的阳极金属集流层以及阴极金属集流层的材质均为镀tin涂层的不锈钢金属金属网或者不锈钢板。考虑到纽扣直接甲醇燃料电池中燃料腔的厚度以及总体的厚度，我们选用的60目的不锈钢丝网，所述的阳极金属集流层、阳极扩散层、以及阴极扩散层环周均设置有密封垫圈5，且所述的阳极金属集流层与所述的阳极扩散层大小一致。所述的电池上盖上设置有燃料进出口13，所述的燃料进出口上设置有气液分离膜17。所述的阴极扩散层以及阳极扩散层的材质可以为碳纸、碳布或者泡沫金属。

图5示出本发明纽扣式直接甲醇燃料电池的部件尺寸与催化层尺寸和传统螺栓甲醇燃料电池的部件尺寸与催化层尺寸对比图。从图中可以看出，纽扣式结构中催化层的面积与电池的横截总面积的之比为65.3％，而传统结构中催化层的面积与电池的横截总面积的之比为28.3％。本发明的活性催化层面积与所述的电池横截总面积的比例大于65％，且纽扣式直接甲醇燃料电池中有效催化面积比会比传统结构中的有效催化面积比高出2.3倍。

图6示出本实施例中得到的黑色填充曲线为纽扣式直接甲醇燃料电池的电压-电流曲线，未填充曲线代表功率-电流曲线。通过曲线可以看出电池的最高输出功率为20.5mw。根据图1的尺寸，电池的体积为1.2cm³，则体积比功率密度为17.1mw/cm³。

本发明的封装原理为冲压封装，高分子绝缘层2受到上方压力与阳极金属集流层环周的密封垫片5压在一起；高分子绝缘层2同时也受到环周电池下壳的挤压，高分子绝缘层变形使电池上盖与下壳固定在一起。密封垫片5起到密封与固定作用。电池上盖1受到的压力并使弹性导电元件3受压变形并给阳极金属丝网4压力，将阳极金属集流层4、阳极扩散层5、阳极催化剂层12、质子交换膜11、阴极催化剂层10、阴极扩散层7、阴极金属集流层8与电池下壳9压在一起。阴极扩散层7、阳极扩散层6、阴极催化层10、阳极催化层12和质子交换膜11组成膜电极。

电池上盖1和电池下壳9接负载时，甲醇燃料电池放电工作，从燃料进出口13注入到燃料腔的甲醇溶液15通过阳极金属集流层4均匀的散布在阳极扩散层6的上表面，然后通过阳极扩散层6的多孔结构均匀的散布在阳极催化层12表面，在阳极催化层12反应生成二氧化碳小气泡14、氢离子和电子：ch3oh+h2o→co2+6h⁺+6e^-，同时空气中的氧气通过电池下壳9的孔隙和阴极金属集流层8以及阴极扩散层7均匀的到达阴极催化层，和从阳极通过外电路导入阴极的电子和从阳极穿过质子交换膜的氢离子反应生成水：o2+4e^-+4h⁺→2h2o。阳极反应生成的二氧化碳小气泡飘到燃料腔16上部聚集，并从燃料进出口13通过气液分离膜17排出，而燃料却被挡在燃料腔16内。阴极生成的水通过阴极扩散层7、阴极金属集流层8和电池下壳9的孔隙排出。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施方式的限制，上述实施方式和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明的要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。